Автореферат (Разработка методики проектирования теплонагруженных элементов конструкций крыльев суборбитальных многоразовых космических аппаратов)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Космический туризм – одно из новыхнаправлений космической деятельности. Из-за высокой стоимости орбитальныхкосмических туров, а также строгих требований к здоровью космическихтуристов, более перспективным с точки зрения массовости и доступности покаявляется суборбитальный туризм. Для суборбитальных туров необходимосоздание нового вида техники – многоразовых космических аппаратовтуристического класса (МКА ТК).

Они должны удовлетворять рядупротиворечивых требований: иметь высокую надежность и безопасность,повышенную весовую и экономическую эффективность, повышенную степенькомфорта для экипажа и пассажиров.Последнее требование – повышенная степень комфорта – напрямую связанос перегрузками, действующими на пассажиров и экипаж во время полета.«Крылатая» схема МКА характеризуется невысоким, относительно бескрылойсхемы, уровнем перегрузок и более выгодна с точки зрения маневренностиаппарата на этапе выведения и посадки.

Суборбитальный полет предполагаетподъем МКА на высоту от 105 до 120 км, пребывание в невесомости в течение3-5 минут с последующим спуском в атмосфере. Уровень температур,возникающих на поверхности суборбитального МКА во время спуска, в силуотносительно невысоких скоростей существенно ниже, чем у орбитальныхаппаратов. Тем не менее необходимо исследовать температурное состояниеконструкции крыла суборбитального МКА для определения собственныхтеплозащитных свойств его материалов, а также определения необходимостииспользования специальной теплозащиты.С точки зрения весовой эффективности для изготовления таких несущихконструкций аппарата как крылья могут быть использованы полимерныекомпозиционные материалы (ПКМ), обладающие высокими значениямиудельной прочности и модуля упругости.

На стоимость и физико-механическиехарактеристики ПКМ сильное влияние оказывает тип армирующегонаполнителя. На первый взгляд для конструкции крыла МКА ТК наилучшимобразом подходят ПКМ на основе углеродных волокон (УВ), позволяющиедостичь максимума прочности и жесткости, а также минимального весаконструкции, по сравнению с ПКМ на основе стеклянных волокон (СВ). Однако,если принять во внимание экономическую сторону вопроса, то оказывается, чтоСВ почти в 20 раз дешевле УВ, поэтому для достижения экономическойэффективности конструкции крыла МКА ТК при сохранении необходимогоуровня надежности, перспективно использование гибридных ПКМ (ГПКМ),сочетающих в своем составе разнородные армирующие наполнители.Количество возможных комбинаций слоистого пакета даже принебольшом числе проектных переменных велико.

Например, для трех1монослоев и четырех возможных углов укладки (0, +45 и 90 град.) с учетомвозможности различного порядка расположения монослоев, число всехвозможных вариантов составит 12! (или более 470 млн. комбинаций). Поэтомупри проектировании слоистых ГПКМ применение метода перебора илиинтуитивно-эмпирических приемов нецелесообразно, так как даже самыйпростой расчет потребует значительных временных и вычислительных ресурсов.Для нахождения оптимальной по массе, стоимости и жесткости конструкциикрыла из ГПКМ необходимо автоматизировать процедуру его оптимизации,основанную на современных численных методах механики и теплофизикикомпозитных сред и генетических алгоритмах (ГА). Таким образом, разработкаметодики оптимального проектирования крыла МКА ТК из ГПКМ и еепрограммная реализация, включающая определение состава, порядкарасположения и толщины монослоев, углов их укладки и толщины сотовогозаполнителя является актуальной научной задачей.Цель работы – оптимизация весовых, стоимостных и жесткостныхпоказателей конструкции крыла МКА ТК за счет рационального применениягибридных полимерных композиционных материалов.Задачи диссертации:1.

Определение силовых и тепловых нагрузок, действующих на крылоМКА ТК во время полета, и использование полученных данных длямоделирования температурного и напряженно-деформированного состояниякрыла.2. Разработка комплексной методики оптимального проектирования крылаиз ГПКМ для суборбитального МКА ТК.3. Программная реализация ГА оптимизации обшивки крыла из ГПКМ иопределение множества оптимальных структур обшивки.4. Расчетно-экспериментальное определение комплекса теплофизическихи оптических характеристик ГПКМ, потенциально пригодных для изготовленияобшивки крыла МКА ТК.5.

Обоснование и выбор материалов для изготовления конструктивныхэлементов крыла МКА ТК, выяснение необходимости применения специальнойтеплозащиты.Тема диссертации отвечала планам работ по реализации задачФедеральной космической программы России на 2006-2015 гг. в рамках НИРмежду ФГУП ЦНИИмаш и МГТУ им. Н.Э. Баумана по теме «Простор-КТ»,договор № 0901-1311/224-2009 от 11.06.2009 и № 0901-1311/267-2010 от30.06.2010 и по теме «Орбита-МГТУ», договор № (27-101-2011)-1001/186-2011от 18.08.2011. Отдельные результаты получены при финансовой поддержке попроекту № 2.1.2/5865 по заданию Минобрнауки РФ в рамках АВЦП «Развитиенаучного потенциала высшей школы», а также в рамках ФЦП «Исследования иразработки по приоритетным направлениям развития научно-технологическогокомплекса России на 2014-2020 годы» по приоритетному направлению2«Транспортные и космические системы» по соглашению о предоставлениисубсидии № 14.577.21.0099 Министерством образования и науки РоссийскойФедерации.

Уникальный идентификатор прикладных научных исследований(проекта) RFMEFI57714X0008.Научная новизна диссертации определяется:- Разработанной методикой оптимального (по массе, стоимости ижесткости) проектирования крыла из ГПКМ для суборбитального МКА ТК.- Решением задачи оптимального проектирования обшивки крыла из ГПКМс использованием ГА.- Впервыеэкспериментальнокомплексноопределеннымитеплофизическими и оптическими характеристиками ГПКМ.Практическая значимость работы определяется:- Разработанными конечно-элементными моделями крыла МКА ТК,универсально пригодными для проектных исследований аналогичныхконструкции без учета уноса массы.- Проведенным сравнительным анализом вариантов структуры обшивкикрыла МКА ТК, и определением областей рационального применения ГПКМ.- Полученными экспериментальными данными по теплофизическим иоптическим характеристикам пяти вариантов ГПКМ вида «УП-СП».Основные положения диссертации, выносимые на защиту:1.

Методика оптимального проектирования крыла из ГПКМсуборбитального МКА ТК, основанная на ГА поиска оптимальных решений спозиций массы, стоимости и жесткости.2. Экспериментальные данные по теплофизическим и оптическимхарактеристикам ГПКМ.3.

Результаты сравнительного анализа вариантов структуры обшивкикрыла МКА ТК из ГПКМ.Рекомендации по внедрению:Результаты данной работы могут быть рекомендованы для использованияпри выборе оптимальной структуры ГПКМ для несущих конструкцийлетательных аппаратов, а также в учебном процессе кафедры СМ13 «Ракетнокосмические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана.Достоверностьрезультатовподтверждаетсяиспользованиемматематических моделей, основанных на фундаментальных законах механики итеплофизики, хорошим согласием результатов теоретических исследований срезультатами других научных работ, полученных с помощью стандартныхпрограммных продуктов, а также высоким уровнем метрологическогообеспечения экспериментальных исследований.Личный вклад автора заключается в анализе и обобщении информациио различных МКА, параметрах их конструктивно-технологическогосовершенства, проведении расчётов нестационарного прогрева конструкциикрыла МКА ТК, разработке методики и создании программно-алгоритмического3обеспечения оптимального проектирования обшивки крыла из ГПКМ, а также вопределении теплофизических и оптических характеристик ГПКМ.Апробация основных результатов диссертации проведена на: 1-st Int.Conf.

on Advanced Polymer Matrix Composites (Compo 2010) (Harbin, China, 2010);Всеросс. научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии –2010» (Реутов, 2010); 34-х, 35-х, 36-х, 40-х Академ. чтениях по космонавтике(Москва, 2010, 2011, 2012, 2016); 2-nd, 3-rd Int. Conf. on Advanced CompositeMaterials and Technologies for Aerospace Applications (Wrexham, UK, 2012, 2013);14-м, 15-м Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск,2012, 2016); 4-ой Междунар. научной конференции «Ракетно-космическаятехника: фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2013); I SinoRussian Symposium on Advanced Materials and Processing Technology (Qingdao,China, 2014); IV Sino-Rus. ASRTU Symposium on Advanced Materials andProcessing Technology (Ekaterinburg, 2016); 2-ой Междунар.

конференции«Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций(DFCMS-2016)» (Москва, 2016).Публикации: материалы диссертации отражены в 15 научных работах, втом числе в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Общий объемпубликаций составляет 5,08 п.л.Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит извведения, 5 глав, выводов к каждой главе, общих выводов, заключения,приложения и актов внедрения. Работа содержит 179 страниц машинописноготекста, 73 рисунка и 27 таблиц. Список литературы включает 244 наименования.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цельи задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценностьдиссертации, перечисляются положения, выносимые на защиту, а такжеприводятся сведения об апробации работы.Первая глава носит обзорно-аналитический характер.

В ней обобщенысведения о различных МКА (в т.ч. туристического назначения) и параметрах ихконструктивно-технологического совершенства. Рассмотрены виды ипреимущества ГПКМ, приведена их классификация. Проведен обзор посовременному математико-алгоритмическому и программному обеспечению длярешения задач проектирования, а также методам расчета температурного инапряженно-деформированного состояния силовых композитных конструкций.Вторая глава посвящена исследованию проектного облика и параметровтраектории суборбитального МКА ТК, определению силовых и тепловых4нагрузок, действующих на крыло МКА ТК во время полета, а также разработкеметодики оптимального проектирования обшивки крыла из ГПКМ.Рассматриваемый в работе суборбитальный пилотируемый МКА ТКпредназначен для группового полета пяти человек (Рис.